化工安全和環(huán)保課程論文

1、汽車尾氣中氮氧化物的成因與影響因素摘 要：隨著機動車保有量的激增，我國的機動車污染物排放總量持續(xù)攀升。事實上，汽車所產(chǎn)生的空氣污染量比任何其他單一的人類活動產(chǎn)生的空氣污染量都多.人類必須認識到環(huán)境保護的重要性，盡全力保護我們賴以生存的環(huán)境。我們分析一下汽車尾氣中氮氧化物的生成機 理和影響因素關鍵詞：汽車尾氣 氮氧化物 危害生成機理 影響因素Formati on and in flue nee factors of n itroge n oxides in the tail gas ofautomobile作者英文名：Staper福州大學至誠學院化學工程與工藝Abstract: As the n

2、umber of vehicles in our eountry, vehicle emissions eontinued to rise. In fact, more the amount of air polluti on air pollutio n produced by the car produces more tha n any other sin gle human activity. Human beings must realize the importance of environmental protection, do our best to protect our

3、livi ng environment. We an alyze the formatio n mecha nism and in flue ncing factors of n itroge n oxides in automobile exhaust.Key words: Automobile tail gas NOx Harm Formati on mecha nism In flue ncing factors氮氧化物對人體和環(huán)境的危害氮氧化物是發(fā)動機有一定負荷時大量產(chǎn)生的一種褐色的、有臭味的廢氣，是多種氮氧化物的總稱，如NO N02、N203 N205等。內(nèi)燃機中的氦氧化物主要是 N

4、Ox約占95%;其次是N02,約占5%。 發(fā)動機廢氣剛一排出時，氣缸內(nèi)存在的 NO毒性較小，但NO很快會氧化成毒性較大的 N02等其他 氮氧化物，這些氮氧化物進入人的肺泡后能形成亞硝酸和硝酸，對肺組織產(chǎn)生強烈的刺激作用。亞硝酸鹽能與人體內(nèi)的血紅蛋白結(jié)合，形成變性血紅蛋白，可在一定程度上導致組織缺氧。NOx與HC在受到陽光中紫外線照射后會發(fā)生化學反應，形成有毒的光化學煙霧。當光化學煙霧中的光化學氧化劑達到一定濃度時，會對人的眼結(jié)膜有明顯的刺激性，引起流淚并導致紅眼癥，同時對鼻、咽、喉等器官也有刺激作用，可引起急性喘息癥，使人呼吸困難、眼紅喉痛、頭腦昏沉，造成中毒。此外，光化學煙霧還具有損害植物、

5、降低大氣能見度損壞橡膠制品等危害。氮氧化物的生成機理車用發(fā)動機排氣中的氮氧化物NOx包含NO和N：其中大部分是 No,它們是N在燃燒高溫下的產(chǎn)物。NO的生成主要與溫度和過量空氣系數(shù)有關。在稀混合氣區(qū)NO的生成主要是溫度起作用；在濃混合氣I蔓主要是氧濃度起作用。在柴油機中NO可占到排氣中總 NO的10%30%。目前對NO大致上認為NO在火焰區(qū)可以迅速轉(zhuǎn)變成NOn在對流層，Nq的存在會促進近地層臭氧和光化學煙霧的產(chǎn)生。發(fā)動機燃燒過程中產(chǎn)生的主要是NO排到大氣中后，經(jīng)過漫長的時間幾乎全部都會被氧化成N02。在燃燒過程中，產(chǎn)生 NO的路徑主要有三種：熱力型 NQ根據(jù)Zeldovich 機理，是由空氣中

6、的氮經(jīng)過高溫氧化產(chǎn)生的；瞬發(fā)型 NO根據(jù)Fenimore機理，產(chǎn)生在火焰前鋒，其中的氮來源于空氣；燃料型NQ燃油中的氮元素被氧化生成的NQ 熱力型No：熱力型NO產(chǎn)生在火焰前鋒后的燃燒區(qū)，最先由Zeldovich給出了解釋，之后 Baulch等對其做了補充。補充的 Zeldovich機理包含以下三個基元反應：0+N2 =HNO+N N+02=HNO+O N+OH=HNO+H雖然Zeldovich 機理在所有解釋熱力型 NO生成機理中應用最為廣泛，但在速率常數(shù)的確定上尚 未實現(xiàn)統(tǒng)一。以上三個反應均為可逆反應，NO濃度小于對應溫度下的平衡濃度時，如發(fā)動機燃燒的擴散區(qū)域，正反應對轉(zhuǎn)化率具有有決定性的

7、影響。反之，逆反應起決定性作用，這點很好地體 現(xiàn)在發(fā)動機作功沖程末期，此時的溫度相對較低。反應（1.1）的正反應活化能很高，因為要破壞氮氮三鍵需要很高的能量，這也使得該反應只在高溫時才能獲得較高的速率，一般認為該步反應 為決速步。該反應對溫度依賴性很大，可以認為NO的生成由動力學控制。燃燒室中的溫度范圍內(nèi)，各反應速度較其能夠進行的時間而言不夠快，因此反應達不到化學平衡。如圖1. 1，對Zeldovich機理分別按照反應熱力學平衡控制和動力學控制計算出的NO濃度曲線，很好地驗證了這一點。曲線前半段，按動力學控制假設計算出來的NO濃度明顯小于按化學平衡控制，但在燃燒后期，后者又超過了前者，這是由于

8、溫度下降導致反應速率迅速降低，使得產(chǎn)生的NO不能通過逆反應被消耗掉，這種現(xiàn)象稱為反應“凍結(jié)”。瞬發(fā)型NO瞬發(fā)型N0產(chǎn)生在火焰前鋒，與具有很多可能反應路徑的CH基團聯(lián)系密切，所以其生成機理比熱力型NO復雜得多。Fenimore最先提出了瞬發(fā)型 NO的概念。CH基團與N2生成HCN氫氰酸）為速控步，之后經(jīng)過若干快速反應生成NO.word文檔可自由復制編輯作為CH基生成反應中的中間產(chǎn)物，乙炔 (C2H2)只在富燃條件下火焰前鋒產(chǎn)生，使得瞬發(fā)型 NO這 一概念更加形象。瞬發(fā)型 NO生成反應的活化能較低，在 1000K時即可發(fā)生。HCN和CH的氧化反 應的主要決速步如下：HCN+O=NCO+H CN+0

9、2=NCO+0 HCN+OH=HCN+H20瞬發(fā)型NO由于其生成反應的活化能較低而對溫度的依賴性不高，但對燃油中CH與HCN的含量有很強的依賴性。在典型的發(fā)動機燃燒過程中，通過Fenimore機理產(chǎn)生的Nq(瞬發(fā)型NO)占Nq總量的510%，通過Zeldovich機理產(chǎn)生的Nq(熱力型NO)占9095% 剮。燃料型NO在發(fā)動機燃燒中，燃料中的N元素被氧化生成 Nq這一路徑所起的作用很小，因為內(nèi)燃機燃料中含氮量極低。在煤燃燒中，這就是一種很重要的反應路徑，因為即使是 含氮量最低的煤也含有約1 %的氮元素。對燃料型 NO的研究已經(jīng)很成剿 61。經(jīng)由N20產(chǎn)生的NO經(jīng)由N20產(chǎn)生NO這一反應路徑在如

10、下兩種情況下才能發(fā)揮明顯作用：稀燃條件CH的生成得到抑制，瞬發(fā)型NO生成量降低；溫度較低時，熱力型NO的生成得到抑制。N20的生成反應：N2+O+M=N20+M組分M在該反應中的作用是控制生成物為N20而非NQ在高壓條件下，容易沿該反應路徑進行。該反應對溫度不敏感，降低溫度對反應速率影響不大。在燃氣輪機的稀燃預混合燃燒過程中，N20路徑是產(chǎn)生NO的必經(jīng)過程。在稀燃點燃式 (SI)發(fā)動機中，該反應路徑也會發(fā)生。氮氧化物生成的影響因素(1) 噴油定時的影響柴油車機內(nèi)氣缸NO生成量數(shù)值大小大致與預混燃燒期內(nèi)燃燒的混合氣數(shù)量成正比。噴油提前角減小，使燃燒推遲，燃燒溫度較低，生成的N0X較少。(2) 放

11、熱規(guī)律的影響柴油機燃燒放熱規(guī)律的兩種模式：傳統(tǒng)放熱規(guī)律模式和低排放放熱規(guī)律模式。傳統(tǒng)模式在壓縮上止點前即由于不可控預混合燃燒而出現(xiàn)一個很高的放熟率尖峰，接著是由于擴散燃燒造成的一個平緩的放熱率尖峰。前者導致生成大量：而后者(緩慢拖拉的燃燒)導致柴油機熱效率惡化，微粒排放增加。(3) 負荷與轉(zhuǎn)速的影響。排放隨負荷增大而顯著增加，這是因為隨負荷增大可燃混合氣的平均空 燃比減小，使燃燒壓力和溫度提高所致。柴油機轉(zhuǎn)速對排放的影響比負荷的影響小。非增壓柴油 機，一般最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速下的 NOx體積分數(shù)大于標定轉(zhuǎn)速下的值。(4) 混合氣溫度在高溫下內(nèi)燃機產(chǎn)生氮氧化物的速率加快，產(chǎn)生量急劇增加。(5) 混合氣成

12、分混合氣成分影響著燃燒時氣體的溫度和可利用的氧濃度通過對平衡狀態(tài)下一氧化氮濃度的計算表明：NOx的濃度在混合氣稀的區(qū)域內(nèi)主要是溫度起支配作用，而在混合氣濃的區(qū)域內(nèi)，主要是氧的濃度起決定作用(6) 滯留時間通過對非平衡狀態(tài)下發(fā)動機中NOx濃度計算可知，滯留時間短，NO濃度低，滯留時間長，NOx濃度高(7) 高內(nèi)燃機內(nèi)壓力 壓力主要對理想混合氣或濃混合氣影響較大拉伏耶(Lavoie)等人研究了澤爾多維奇的反應機理后認為： NOx的反應機理除了按上述反應進行以外，氧的濃度對NO的生成率有很大影響。除此之外，氮與氧在高溫區(qū)滯留的時間是影響NOx生成率的又一重要因素。綜上所述，高溫、富氧和氧與氮在高溫下

13、滯留時間是決定柴油機燃燒過程中NOx生成率大小的三個重要因素。而由于柴油機燃燒過程中，氮的含量始終是充足的，因此不存在氮的濃度對 NOx生成率氧的濃度對 NOx的生成率有很大影響。除此之外，氮與氧在高溫區(qū)滯留的時間是影響 NO%生成率的又一重要因素。綜上所述，高溫、富氧和氧與氮在高溫下 滯留時間是決定柴油機燃燒過程中 Nox生成率大小的三個重要因素。而由于柴油機燃燒過程中， 氮的含量始終是充足的，因此不存在氮的濃度對NOx生成率的影響的影響。結(jié)語隨著環(huán)保問題的日益突出，汽車發(fā)動機不僅要具有良好的經(jīng)濟性能，還應具有較好的低公害性能(良好的排放性與低噪聲性能)氮氧化物成分隨不同發(fā)動機型與運轉(zhuǎn)條件均

14、有所變化，因此通過對燃燒系統(tǒng)的改進，達到控制燃燒，減少污染物的形成，是實現(xiàn)機內(nèi)凈化的重要途徑由于混合氣 形成與燃燒控制進行情況，對氮氧化物的生成有著直接聯(lián)系，因此對混合氣形成與燃燒影響大的 因素實行最佳的調(diào)節(jié)與控制，是機內(nèi)凈化的一種有效方法，其中包括對發(fā)動機混合氣成分、點火 時間、進氣溫度隨工況變化的最佳調(diào)節(jié)與控制。降低火焰溫度，減少熱力型NOx改變空氣與燃氣混合比例實現(xiàn)富氧和厭氧燃燒減小NOx產(chǎn)生。參考文獻：1 美sTanky E Manahm 著環(huán)境化學.陳甫華等譯天津：南開大學出版社，19932 錢耀義編.汽車發(fā)動機排氣污染與控箭.北京：A展交通吐I版社，19873 李興虎.汽車環(huán)境污染與控制M，北京：國防工業(yè)出版社，2011 .4 劉巽俊.內(nèi)燃機的排放與控制M，北京：機械工業(yè)出版社.5 孫夕香，